高能火花塞对发动机的影响

燃烧过程中火核的演变是一个复杂的过程，火焰的传播主要依赖于火核的能量足够强、附近的可燃混合气浓度以及气流条件。LPG着火温度高，传统的点火方式无法满足LPG燃气发动机实现稀燃的要求。点火能量及点火模式将影响着LPG稀燃过程。

4.5.3普通单点火稀燃模式循环变动的研究

图4－37为普通单点火稀燃模式燃烧循环变动的对比情况。由于LPG燃气的着火温度较高，普通点火能量容易造成混合气的失火现象而出现不规则燃烧，加大了燃烧过程的循环变动。图中数据显示，随着过量空气系数的增大，混合气变稀，燃烧峰值压力的波动范围基本接近，但对应的相位波动较大，说明混合气着火过程不稳定使LPG燃烧过程的急燃期的发展不一致。比较峰值压力偏差不难得出，普通单点火稀燃模式的稀限燃烧偏差较大，表明燃烧过程恶化，出现不稳定燃烧现象。

图4-37普通单点火稀燃模式燃烧循环变动对比

4.5.4高能双点火快速稀燃模式循环变动的研究

相对于图4－37，图4－38所示的高能双点火快速稀燃模式的循环变动结果要好得多。燃烧稀限得到扩展。发动机在稀薄混合气燃烧或废气再循环率较高等工况下运转时，容易出现失火及部分燃烧等现象[151]，导致燃烧循环变动增大。随着混合气得逐渐变稀，LPG发动机燃烧峰值压力得循环变动范围非常小，其对应的相位波动范围也较小。即使在燃烧稀限λ=1.48条件下，其波动范围仍然较小，最大峰值偏差控制在±4bar以内。表现了LPG快速燃烧过程良好的稳定

性。

图4-38高能双点火快速稀燃模式循环变动的对比

影响发动机燃烧稀限的因素很多。但根本原因是对发动机点火过程和燃烧过程的产生影响的相关因素。本文主要从提高LPG发动机燃烧速率着手，采用电喷LPG发动机的快速燃烧系统实现稀薄燃烧，并进行了大量的试验，分析LPG发动机稀薄燃烧过程以及燃烧极限的拓展。研究结果表明，

（1）电喷LPG发动机在普通单点火燃烧模式下的燃烧过程遵循正常的燃烧规律。发动机转速及负荷、点火提前角及点火能量、压缩比、缸内气体流动等改变LPG混合气点火和燃烧特性的影响因素的变化都起着重要的作用。

（2）本研究提出的电喷LPG发动机高能双点火塞快速燃烧技术方案是基于原型汽油机的侧置单点火方案，通过双点火塞位置对称布置的合理布局与设计实现。同步、异步双点火快速燃烧模式因火花塞对称布置缩短了LPG完全燃烧的火焰传播距离，有效提高了燃烧速率。其中，异步双点火燃烧模式因火花塞的安装位置存在点火顺序的差异，试验对比结果证明异步双点火模式的点火顺序对LPG快速燃烧过程没有影响作用。高能异步双点火的燃烧速率和放热率比同步双点火模式有较大幅度提高。

（4）通过本文的研究分析，影响LPG稀混合气快速燃烧的因素较多。发动机转速与负荷、点

火模式与点火能量的大小、点火提前角、压缩比、以及由缸内气体流动（涡流、滚流）产生的湍流强度等影响因素对LPG电喷发动机实现快速稀薄燃烧都起着重要的作用。高能双火花快速燃烧系统有利于拓展LPG稀薄燃烧的燃烧稀限，在整个点火提前角的变化范围内，高能双火花点火LPG燃烧稀限值（λ=1.4~1.5）比普通单点火（λ=1.25~1.43）均有大幅度的提高，在较小的点火提前角时，差别尤为明显。这点在LPG快速稀燃循环变动的相关研究中也得到证实。高能双火花快速燃烧系统即使在稀限λ=1.48燃烧条件下，相比普通单点火λ=1.43，其燃烧压力峰值及相位波动保持在较小的范围内，最大峰值偏差控制在±4bar以内。表现出良好的燃烧稳定性，确保LPG实现稳定可靠的快速稀薄燃烧。

5.2.2.2高能异步双点火

采用高能双火花点火模式以加快LPG燃气的燃烧过程，存在着不同的点火方式。图5-9、5-10所示为采用高能异步双点火，3500r/min 30%、100%运转工况时，在不同EGR率条件下的燃烧特性的变化趋势。与图5-3、5-4所示同步点火对比不难发现，在30%小负荷开度时的最大EGR 率变化不大；LPG燃气的整个燃烧过程类似，最大燃烧压力及其对应的相位角比较接近，高能异步双点火对小负荷开度的LPG燃烧过程影响不大。而在100%大负荷开度条件下，燃烧情况有所不同。LPG燃气的最大EGR率有大幅度的提高，从5.76%提高到7.83%。同比最大燃烧压力也得到提高，对应的相位角也相应提前。由于燃烧速率的提高，燃烧持续期缩短，LPG燃气燃烧充分，热效率提高。同时LPG发动机后燃现象减轻。这主要是因为在100%的大负荷开度下，发动机的进气阻力减小，进气效率及进气充量增加。第一次点火燃烧产生的热量可以提高燃烧内未燃混合气的温度，使其更易于点燃和燃烧。

6.2.2点火能量的变化对电喷LPG发动机排放特性的影响

点火能量决定LPG发动机的着火特性，对LPG燃烧过程中火核的形成与发展，早期燃烧过程的贡献较大，从而影响到LPG的火焰传播和燃烧速度。由于对燃烧过程的促进，可以改善发动机的排放指标。图6-4所示为点火能量的变化对LPG发动机排放特性的影响。图中数据可以看出，在浓混合气时，混合气着火容易，提高一定幅度的点火能量对于HC、CO和NOx没有影响，而双火花塞点火模式对扩大燃烧极限有利但同时使爆发压力提高燃烧温度升高，在整个空燃比范围内造成NOx排放劣化。

汽油发动机传统的点火装置，是有断电器触点切断触及电流，再刺激产生高压电的机械点点火装置。由于传统点火装置出点限制了初级断开电流，也就是限制了点火能量，特别是限制了高速时的点火能量，从而限制了高转速、高压速比发动机的发展，同时工作中触电的火花、触电的震动、磨损和烧，造成了刺激高压电和点火能量的波动和下降，因而工作可靠性差。随着汽油发动机技术不断发展，高转速、高压缩比、稀混合气、废气再循环等级数的应用，社会对发动机油耗、排放污染的要求越来越严格，要求点火能量，特别是高速是的能量要加大。这样近

年来国内采用了一种高能无触点点火系统，这种点火系按其点火信号发生器的工作原理的不同

图6-4点火能量对LPG发动机排放特性的影响图6-5点火模式对LPG发动机排放特性的影响6.2.3点火模式对电喷LPG发动机排放特性的影响

本次研究中选用了普通单点火、高能同步双点火、高能异步双点火三种点火燃烧模式。其燃烧过程的对比分析在前两章已有详细介绍。高能双点火（同步、异步）燃烧模式可以确保LPG稀薄混合气的正常着火以及火核的形成与发展，同时缩短了火焰传播距离，加快了燃烧速度。这些对LPG稀薄燃烧过程的强化反映在对LPG发动机排放特性的改善上也取得了明显效果。从图6-5点火模式对发动机排放特性的影响结果可以看出，双火花点火燃烧模式对CO、HC的改善较为明显；但由于其对LPG燃烧过程的强化，提高了LPG发动机的放热率，使缸内燃烧温度提高，形成NOX生成条件。在同等过量空气系数下生成的NOX增多。同时LPG稀薄燃烧过程的稀限得到扩展，在稀燃条件下，NOX浓度迅速降低。

图6-3高能异步双点火模式下点火提前角对LPG发动机排放特性的影响

6.2.3点火模式对电喷LPG发动机排放特性的影响

本次研究中选用了普通单点火、高能同步双点火、高能异步双点火三种点火

燃烧模式。其燃烧过程的对比分析在前两章已有详细介绍。高能双点火（同步、异步）燃烧模式可以确保LPG稀薄混合气的正常着火以及火核的形成与发展，同时缩短了火焰传播距离，加快了燃烧速度。这些对LPG稀薄燃烧过程的强化反映在对LPG发动机排放特性的改善上也取得了明显效果。从图6-5点火模式对发动机排放特性的影响结果可以看出，双火花点火燃烧模式对CO、HC的改善较为明显；但由于其对LPG燃烧过程的强化，提高了LPG发动机的放热率，使缸内燃烧温度提高，形成NOX生成条件。在同等过量空气系数下生成的NOX 增多。同时LPG稀薄燃烧过程的稀限得到扩展，在稀燃条件下，NOX浓度迅速

图4-29点火能量及点火模式对LPG稀燃特性影响（3500r/min 30％400CAλ＝1.44）